微波实验课件

1、微波实验，李倩，大学物理实验中心，微波基金会，微波的特点是什么，什么是微波基金会？微波是无线电波中波长最短的电磁波，其波长范围从。其频率范围从。分为四个波段，如下表所示：微波的特点是波长很短，这可以与所用元件和设备的尺寸相比较。它比地球上的一般物体小得多，或者数量级相同。微波的频率很高，在相对较小的带宽下，可用带宽很宽，因此信息容量很大。微波波段的无线电波可以穿透电离层。微波的振荡周期非常短，这类似于电子在电真空器件中的渡越时间。因此，低频电子设备不能在微波范围内使用。像光一样，微波介于普通无线电波和光波之间。它不仅具有无线电波的特性，还具有光波的特性。它以光速直线传播，具有反射、衍射和干涉现

2、象。微波是微波应用的基础，始于20世纪30年代，主要是通信和雷达。微波通信具有信息量大、抗干扰能力强的特点。探地雷达、汽车雷达等。可以通过使用由被测物体和周围材料的介电常数、磁导率和电阻率之间的差异产生的反射信号来实现。人们利用微波的热效率和生物效率，并结合其他行业形成一些新的边缘学科，如微波气象学、微波射电天文学、微波光谱学、微波生物学等。目的：学习微波基础知识，掌握微波基本测量技术；学会用微波作为观察方法来研究物理现象。要求：在微波知识方面，要求掌握(1)速调管的原理、结构、工作特性和微波信号源的使用方法；(2)波导的工作状态；(3)谐振腔的振荡模式和谐振曲线方程；(4)驻波、功率和频率的

3、三种基本测量。就科学研究手段而言，要求(1)了解观察到的物理现象和测量到的物理参数；(2)掌握测量原理、实验条件和测量方法；(3)分析实验结果并进行必要的讨论。有很多种微波设备。以下是一些实验室常用的设备，它们都适用于3厘米系统。微波发生器是一种产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高(300 MHz和300 GHz)，要求振荡电路具有很小的电感和电容，因此不可能用普通的电子管和晶体管构成微波发生器。微波发生器由速调管、磁控管或一些固体部件组成。下面仅描述速调管(1)反射速调管反射速调管是一种微波电子管，它通过速度调制改变电子在交变电磁场中的运动速度，从而将DC能量转换成微波能量。其振荡频率

4、可在一定范围内变化，易于调谐，并可通过脉冲和频率进行调制。反射式速调管的结构如下：反射式速调管K-27的结构示意图和管座图。阴极发射的电子被初始速度为v的DC加速电压加速，并通过谐振腔的栅隙向反射器疾驰。因为反射器对阴极是负的，所以电子减速，最后发射的电子通过共振腔栅格折回。由于热扰动等原因，谐振腔网格内存在高频交变场，初始速度为v。当电子通过网格时，它们将被高频电场加速或减速，如图所示。当高频电场为正时，通过栅极的电子被加速；当高频场为负时，通过栅极的电子减速；当高频场为零时，电子通过栅极的速度是恒定的，这被称为速度调制微波检测二极管硅二极管是微波系统中常用的检测输出信号的二极管。微波二极管

5、(检测晶体)被插入波导的宽壁中，以检测波导的两个宽壁之间的感应电压(其与那里的电场强度成比例)。在其伏安特性中电流与电压的关系中，比例常数二极管的伏安曲线可分为两段，(一)小信号段：曲线为非线性n=2(称为平方律检测)；(b)大信号部分：曲线接近直线n=1(称为线性检测)；(c)矩形波导管是一种引导电磁波传播的空心金属管，一般由铜或铝制成。波导管的加工非常精确，内表面光洁度非常高，可以避免电磁波多次反射引起的高阶寄生波。常用的有矩形和圆形。矩形波导的宽边定义为X方向，内尺寸用A表示，窄边定义为Y方向，内尺寸用b表示。电磁波沿Z方向传播。为了便于理解波导中的场型，x和Y方向通常称为“横向”，Z方

6、向称为“纵向”。A和B的取值一般如下：3 cm矩形波导的内部尺寸应为：(4)隔离器微波隔离器是一种特殊的衰减器，它对入射波衰减很小，对反射波衰减很大，它们之间的比值称为“隔离度”。使用隔离器的目的是减少负载阻抗变化对振荡频率的影响。通常，恒定磁场被施加到矩形波导的横向方向，并且放置在波导的横向方向上的铁氧体板可以刚好与反射波产生铁磁谐振，这又抑制了反射波，并且入射波不会产生这种谐振吸收。然而，器件制作完成后，隔离器也会对入射波产生一定的正向衰减，约为1dB，对反射波的反向衰减超过20dB。使用时，您应该识别箭头的方向，以避免错误安装。(5)可变衰减器可变衰减器可用于连续改变传输线中的功率电平，

7、也可用作振荡器和负载之间的去耦装置。放置在矩形波导中的吸收器应该平行于电场的极化方向，并且可以横向移动。通常，当不需要功率衰减时，吸收器附着在波导的窄壁上。当吸收器移动到宽边的中心时，功率衰减最大，吸收器的移动位置可以显示在衰减器上方的刻度盘上。可变衰减器刻度盘上的读数和衰减之间的关系可以用功率计测量。微波测量线是一种通用的微波测量仪器。在微波信号的检测中，地震检波器或功率计可以安装在输出波导的后面，但是这些负载连接到终端后的驻波比的变化不能在周围封闭的波导管中检测到。为了解决这个问题，需要在矩形波导的宽边中心沿波导的轴向开一个长槽，这可以使耦合探针移动。检测器的探针延伸到槽上方的波导中，并由

8、传输机构驱动沿槽移动。波导中的高频信号被探头耦合后，被测量线内的检测二极管检测到，可以输出与场强相对应的信号。1.微波测试系统的理解和调试。了解等效电源部分(即变送器)、测量装置部分(即测量电路)、指示器部分(即测量接收器)2。直观理解反射速调管振荡器的特性。a .按照正确的步骤打开电源，改变反射镜的电压，观察速调管的各振荡模式(要求：VR从-300伏变为-580伏)。画一个草图来表示每个振荡模式的峰值和对应于起点、峰值和终点的反射器电压值。b .逐点测量速调管最佳振荡模式的功率p与反射器电压VR的关系曲线注意事项：1 .将速调管的电源设置在预热位置，预热到分钟。共振腔电压300)，当毫安表显

9、示共振腔电流。2.当反射速调管工作在恒振幅振荡时，应避免反射镜的零电压，以延长管的使用寿命。3.实验结束后，应先切断反射速调管的谐振腔电压，再切断电源电压。2、测量线调整和晶体探测器校准，1、熟悉测量线的使用。(1)驻波测量线的调整(2)波长测量常用的测量波长的方法有谐振法和驻波分布法。后者由驻波测量线测量。当测量线的终端短路时，在传输线上形成纯驻波。两个相邻驻波的最小点之间的距离可以通过移动测量线探针来测量，并且可以获得波导波长。 2 .掌握校准晶体检波器特性的方法。当测量驻波比率时，驻波波腹和波节的大小由检测器晶体的输出信号来测量。必须正确测量晶体的检测电流I和传输线探针附近的高频电压E之

10、间的关系。根据检测晶体的非线性特性，可以写出I=k1en，(1)使驻波测量线的终端短路，此时，驻波幅度与沿线终端距离的关系是E=eMSin2l/g E/Em=sin 2l/g get=k sin 2l/g n根据E/Em和d的变化规律，可以作出如下图来移动g /4范围内的探头。使其偏离驻波节点的不同位置l，选择场强isin2d/g I=0.1、0.2、0.3和1.0的相对值，读取各点指示计的读数，即可以制作出sin2d/g关系曲线，即晶体二极管校准曲线。根据上述公式，计算相应的分布(约10个点)以及D的分布，并制作出晶体校准曲线。因为两边都取对数，所以晶体检测率n是根据校准曲线的斜率计算的。(

11、2)测量线端子短路，测量半峰读数之间的距离w。如图所示，n=log0.5/logcos(W/g)。根据测得的晶体探测规律，可以得到晶体平方律探测的工作范围。在实验中，大多数微波测试系统都属于小信号工作状态，所以晶体检测定律基本上是平方定律，如果不是精密测量，通常采用n=2。观察波导的工作状态一般来说，波导中有入射波和反射波。描述波导中匹配和反射程度的物理量是驻波率或反射系数。由于终端条件不同，波导中的电磁场分布也不同，波导的工作状态可以归结为三种状态；匹配态、驻波态和混合波态的电场分布曲线分别如图a、b和c所示。练习调整和匹配，测量小驻波比和中驻波比。直接法这种方法适用于测量中小驻波比。如果驻波的节点和节点处指示的仪表读数分别为最大值和最小值，则晶体二极管为平方律检测。然后，当驻波比为1.051.5时，驻波比的最大值和最小值相差不大，波腹和波节是平坦的，这使得难以精确测量。为了提高测